JP5606371B2 - ドハティ増幅器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、地上デジタル放送送信機用パワーアンプに用いられるドハティ増幅器に関する。

近年、高効率かつ低歪みで電力を増幅するドハティ増幅器が開発されている。このドハティ増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器とを備え、これらキャリア増幅器及びピーク増幅器の各出力端を合成する構成になっている。キャリア増幅器はＡＢ級動作し、ピーク増幅器はＣ級動作するようにバイアス条件が与えられる。

ドハティ増幅器は、キャリア増幅器及びピーク増幅器の各出力端の合成点からピーク増幅器を見た負荷インピーダンスが開放に近い状態となるように位相線路長が構成されている。この構成により小信号動作時、ピーク増幅器はＣ級動作しているので、キャリア増幅器しか動作しない状態となり、効率が向上する。

例えば、地上デジタル放送送信機用パワーアンプに用いられ、大電力増幅に対応するドハティ増幅器は、３素子型であり、１つのキャリア増幅器と２つのピーク増幅器とを有する。このようなドハティ増幅器は、上記キャリア増幅器及びピーク増幅器の各出力端の合成点からピーク増幅器側を見たインピーダンスは、キャリア増幅器の出力の飽和時から所定の値だけバックオフしたバックオフ時に無限大（開放）となる。このとき、キャリア増幅器のみが動作していたとしても、キャリア増幅器の出力端から合成点を介して２つのピーク増幅器側に流れることはなく、２つのピーク増幅器側への電力の漏洩が防止される。

特開２００６−１５７９００号公報 特開２００６−３３２８２９号公報

しかしながら、２つのピーク増幅器を同時に動作させるとき、これらピーク増幅器の各デバイス特性差があるために、当該デバイス特性差による出力電流の違いから負荷が変動し、左右の相互変調歪みのアンバランス等により所望の特性が得られない。

本発明が解決しようとする課題は、２つのピーク増幅器のデバイス特性差による出力電流の違いから生ずる負荷変動の影響を低減して、相互変調歪み特性を改善することができるドハティ増幅器を提供することにある。

実施形態によれば、入力信号を第１乃至第３の信号に分配する分配回路と、前記分配回路により分配された前記第１の信号を増幅するキャリア増幅器と、Ｃ級動作を行うようにバイアス条件が与えられ、前記キャリア増幅器の出力電力が飽和状態に近づくと動作を開始し、前記分配回路により分配された前記第２の信号を増幅する第１のピーク増幅器と、Ｃ級動作を行うようにバイアス条件が与えられ、前記キャリア増幅器の出力電力が飽和状態に近づくと動作を開始し、前記分配回路により分配された前記第３の信号を増幅する第２のピーク増幅器と、前記第１のピーク増幅器の出力信号と前記第２のピーク増幅器の出力信号とを合成する第１の合成回路と、前記キャリア増幅器の出力信号と前記第１の合成回路の出力信号とを合成する合成点を有し、前記キャリア増幅器の出力側と前記第１の合成回路の出力側とのそれぞれから前記合成点に向かって整合を取って前記キャリア増幅器の出力信号と前記第１の合成回路の出力信号とを合成して出力する第２の合成回路とを具備し、前記第１のピーク増幅器と前記第２のピーク増幅器とは、前記キャリア増幅器の出力電力が飽和状態に近づくと、同時に前記動作を開始し、前記第１の合成回路は、前記キャリア増幅器の出力の飽和時から所定の値だけバックオフしたバックオフ時に、前記合成点から前記第１及び第２のピーク増幅器側を見たインピーダンスを無限大に調整可能とするドハティ増幅器である。

ドハティ増幅器の一実施形態を示す回路構成図。 同ドハティ増幅器における調整用線路の具体的な回路構成図。 同ドハティ増幅器における第１及び第２のピーク増幅器側の調整用線路の線路長さを短く調整したときの相互変調歪み特性（ＩＭ）の一例を示す図。 同ドハティ増幅器における第１及び第２のピーク増幅器側の調整用線路が無いときの相互変調歪み特性（ＩＭ）の一例を示す図。 同ドハティ増幅器の相互変調歪みを説明するための図。

以下、一実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１はドハティ増幅器の回路構成図を示す。このドハティ増幅器は、例えば地上デジタル放送送信機用パワーアンプに用いられるもので、大電力増幅に対応した３素子型の増幅器であり、１つのキャリア増幅器６と、２つのピーク増幅器１３、１６を有する。
このドハティ増幅器は、入力端子１を設け、この入力端子１に連結器（カプラ）２が接続されている。この連結器２の各出力端には、アッテネータ３と分配器４とが接続されている。この連結器２は、入力端子１を通して入力された電気信号をアッテネータ３と分配器４とに１：１の割合で分配する。この分配の割合１：１で分配するのは、１つのキャリア増幅器６と、２つのピーク増幅器１３、１６とに同一電力を供給するためである。

アッテネータ３は、連結器２からの電気信号を２分の１に減衰する。このアッテネータ３には、第１の整合回路５と、キャリア増幅器６と、第２の整合回路７と、線路長λ／８の第１の線路８と、線路長Ａの第２の線路９と、線路長λ／４の第３の線路１０とが直列接続されている。なお、λは波長である。キャリア増幅器６は、ＡＢ級動作を行うようにバイアス条件が与えられ、常時、電力を増幅する。バイアス条件としてキャリア増幅器６へのバイアス電圧は、Ｖｄｓである。

一方、分配器４の各出力端子には、それぞれ第３の整合回路１１と、第４の整合回路１２とが接続されている。この分配器４は、連結器２からの電気信号を第３の整合回路１１側と第４の整合回路１２側とに均等（１：１の割合）に分配する。この分配器４は、例えばウィルキンソンデバイダーが用いられる。この分配器４と上記連結器２とにより分配回路が構成される。
ここで、入力端子１から連結器２に入力される電気信号をＰ_１、第１の整合回路５に入力される電気信号をＰ_５、第３の整合回路１１に入力される電気信号をＰ_１１、第４の整合回路１２に入力される電気信号をＰ_１２とすると、これら電気信号の分配比の関係は、
Ｐ_５＝Ｐ_１１＝Ｐ_１２＝Ｐ_１／３
となる。

この分配器４の一方の出力端子には、上記第３の整合回路１１と、第１のピーク増幅器１３と、第５の整合回路１４とが直列接続され、さらに第５の整合回路１４の出力端子がコンバイナー１５に接続されている。
又、分配器４の他方の出力端子には、上記第４の整合回路１２と、第２のピーク増幅器１６と、第６の整合回路１７とが直列接続され、さらに第６の整合回路１７の出力端子がコンバイナー１５に接続されている。このコンバイナー１５の出力端子には、調整用線路１８が接続されている。

第１のピーク増幅器１３と第２のピーク増幅器１６とは、それぞれＣ級動作を行うようバイアス条件が与えられている。バイアス条件として第１のピーク増幅器１３と第２のピーク増幅器１６とへの各バイアス電圧は、Ｖｄｓである。これらバイアス条件がＣ級に設定されている第１と第２のピーク増幅器１３、１６は、それぞれＡＢ級に設定されているキャリア増幅器６の出力電力が飽和状態に近づくと、動作を開始する。

コンバイナー１５と調整用線路１８とは、第１の合成回路を構成する。これらコンバイナー１５と調整用線路１８とは、第１のピーク増幅器１３の出力信号と第２のピーク増幅器１６の出力信号とを合成して出力する。
これらコンバイナー１５と調整用線路１８とは、キャリア増幅器６の出力の飽和時から所定の値だけバックオフしたバックオフ時に、後述する合成点Ｃから第１及び第２のピーク増幅器１３、１６側を見たインピーダンスを無限大（∞，開放）に調整可能とする。すなわち、当該ドハティ増幅器のドハティ動作を決定するための上記インピーダンスを無限大（開放）にするコンバイナー１５と調整用線路１８との線路長を短くする必要がある場合に、第１及び第２のピーク増幅器１３、１６側の主に調整用線路１８の線路長さを短く調整可能である。この調整用線路１８の線路長さの調整では、調整する線路長さの範囲を広く取れる。コンバイナー１５は、第１のピーク増幅器１３の出力信号と第２のピーク増幅器１６の出力信号とを合成する。調整用線路１８は、線路長さＡを調整可能である。コンバイナー１５においても線路長が調整可能である。

コンバイナー１５は、１／８波長（λ／８）を含む長さ領域内で線路長を調整可能とする。
コンバイナー１５と調整用線路１８とは、これらの組み合わせによりバックオフ時に、合成点Ｃから第１及び第２のピーク増幅器１３、１６側を見たインピーダンスを無限大に調整可能とする。
上記コンバイナー１５と調整用線路１８とでのインピーダンスの調整では、主に調整用線路１８の長さを調整し、必要時にコンバイナー１５の線路長さを調整する。
これらコンバイナー１５と調整用線路１８とにおける線路長さの調整は、例えば図２に示すようにコンバイナー１５側からの線路Ｌ１と、合成点Ｃ側の線路Ｌ２とを互いに並行に配線し、これら線路Ｌ１、Ｌ２の間に複数の接点１８−１、１８−１、１８−２、１８−２、…、１８−ｎ、１８−ｎを接続する。これら接点１８−１、１８−１、１８−２、１８−２、…、１８−ｎ、１８−ｎは、それぞれ接点１８−１、１８−１と、接点１８−２、１８−２と、…、接点１８−ｎ、１８−ｎとで対を成す。しかるに、これら対の接点１８−１、１８−１等のうちいずれか１つの対の接点間、例えば接点１８−２、１８−２間を接続することにより調整用線路１８における線路長さＡを調整できる。

調整用線路１８の出力側と第３の線路１０の出力側とは、合成点Ｃで連結されて第４の線路１９に接続される。これら調整用線路１８の出力側と、第３の線路１０の出力側と、合成点Ｃと、第４の線路１９とは、第２の合成回路を構成する。第４の線路１９の出力側は、出力端子２０に接続される。これにより、第３の線路１０からのキャリア増幅器６の出力信号と、調整用線路１８からの第１と第２のピーク増幅器１３、１６の合成の出力信号とは、合成点Ｃにおいて合成される。第１と第２のピーク増幅器１３、１６の各出力信号を合成する場合、キャリア増幅器６の出力側と調整用線路１８の出力側とのそれぞれから合成点Ｃに向かって整合を取って第１と第２のピーク増幅器１３、１６の各出力信号を合成する。

次に、上記の通り構成されたドハティ増幅器の動作について説明する。
入力端子１から入力される電気信号は、連結器２に送られる。この連結器２は、入力端子１を通して入力された電気信号をアッテネータ３と分配器４とに１：１の割合で分配する。この分配の割合１：１で分配するのは、１つのキャリア増幅器６と、２つのピーク増幅器１３、１６とに同一電力を供給するためである。アッテネータ３は、連結器２からの電気信号を２分の１に減衰して出力する。このアッテネータ３の出力信号（第１の信号）は、第１の整合回路５を通ってキャリア増幅器６に入力される。

このキャリア増幅器６は、ＡＢ級動作を行うようにバイアス条件が与えられ、常時、第１の信号の電力を増幅する。このキャリア増幅器６の出力信号は、第２の整合回路７と、線路長λ／８の第１の線路８と、線路長Ａの第２の線路９と、線路長λ／４の第３の線路１０とを通って合成点Ｃに送られる。

一方、分配器４は、連結器２からの電気信号を第３の整合回路１１側と第４の整合回路１２側とに均等（１：１の割合）にそれぞれ第２の信号、第３の信号として分配する。この分配器４により分配された第２の信号は、第３の整合回路１１を通って第１のピーク増幅器１３に入力される。この第１のピーク増幅器１３は、Ｃ級動作を行うようバイアス条件が与えられ、ＡＢ級に設定されているキャリア増幅器６の出力電力が飽和状態に近づくと、動作を開始する。この第１のピーク増幅器１３の出力信号は、第５の整合回路１４を通ってコンバイナー１５の一入力端子に入力される。

これと共に、分配器４により分配された第３の信号は、第４の整合回路１２を通って第２のピーク増幅器１６に入力される。この第２のピーク増幅器１６は、Ｃ級動作を行うようバイアス条件が与えられ、ＡＢ級に設定されているキャリア増幅器６の出力電力が飽和状態に近づくと、動作を開始する。この第２のピーク増幅器１７の出力信号は、第６の整合回路１７を通ってコンバイナー１５の他入力端子に入力される。

このコンバイナー１５は、第１のピーク増幅器１３の出力信号と第２のピーク増幅器１６の出力信号とを合成する。調整用線路１８は、コンバイナー１５の出力信号を合成点Ｃに送る。この調整用線路１８は、線路長さＡを調整可能である。すなわち、コンバイナー１５と調整用線路１８とは、キャリア増幅器６の出力の飽和時から所定の値だけバックオフしたバックオフ時に、合成点Ｃから第１及び第２のピーク増幅器１３、１６側を見たインピーダンスを無限大（∞，開放）に調整する。なお、コンバイナー１５と調整用線路１８とは、これらの組み合わせによりバックオフ時に、合成点Ｃから第１及び第２のピーク増幅器１３、１６側を見たインピーダンスを無限大に調整する。これらコンバイナー１５と調整用線路１８とでのインピーダンスの調整では、主に調整用線路１８の長さを調整し、必要時にコンバイナー１５の線路長さを調整する。コンバイナー１５は、１／８波長を含む長さ領域内で線路長を調整可能とする。
具体的にコンバイナー１５と調整用線路１８とにおける線路長さの調整は、例えば図２に示すように対を成す各接点１８−１、１８−１、１８−２、１８−２、…、１８−ｎ、１８−ｎのうちいずれか１つの対の接点間、例えば接点１８−２、１８−２間を接続することにより調整用線路１８における線路長さＡを調整する。

第３の線路１０からのキャリア増幅器６の出力信号と、調整用線路１８からの第１と第２のピーク増幅器１３、１６の合成の出力信号とは、合成点Ｃにおいて合成される。第１と第２のピーク増幅器１３、１６の各出力信号を合成する場合、キャリア増幅器６の出力側と調整用線路１８の出力側とのそれぞれから合成点Ｃに向かって整合を取って第１と第２のピーク増幅器１３、１６の各出力信号を合成する。
合成点Ｃから見た第１及び第２のピーク増幅器１３、１６の負荷インピーダンスは、開放となり、キャリア増幅器６のみ動作している場合、第１及び第２のピーク増幅器１３、１６側への電力の漏洩が防止される。

このように上記一実施の形態によれば、第１及び第２のピーク増幅器１３、１６側に調整用線路１８を接続し、当該ドハティ増幅器のドハティ動作を決定するための上記インピーダンスを無限大（開放）にする１／８波長のコンバイナー１５と調整用線路１８との線路長を短くする必要がある場合に、第１及び第２のピーク増幅器１３、１６側の主に調整用線路１８の線路長さを短く調整可能である。この調整用線路１８の線路長さの調整では、調整する線路長さの範囲を広く取れる。

このような構成であっても、第１及び第２のピーク増幅器１３、１６のデバイス特性差による出力電流の違いから生ずる負荷変動の影響を低減して、相互変調歪み特性（ＩＭ）を改善することができる。
又、デバイスや整合回路１１、１２等によって当該ドハティ増幅器のドハティ動作を決定するための上記インピーダンスを無限大（開放）に見せる長さが１／４波長よりも短くなる場合であっても、上記の通り、第１及び第２のピーク増幅器１３、１６のデバイス特性差による出力電流の違いから生ずる負荷変動の影響を低減して、相互変調歪み特性（ＩＭ）を改善することができる。

図３は上記一実施の形態のドハティ増幅器における第１及び第２のピーク増幅器１３、１６側の調整用線路１８の線路長さを短く調整したときの相互変調歪み特性（ＩＭ）の実測値の一例を示す。この相互変調歪み特性（ＩＭ）は、ドハティ増幅器の出力Ｐｏｕｔに対する相互変調歪み特性（ＩＭ）を示す。この相互変調歪み特性（ＩＭ）は、例えば１ｄＢを示し、図４に示す第１及び第２のピーク増幅器１３、１６側の調整用線路１８の線路長さを短く調整することの無い技術と対比すると分るように、調整用線路１８の線路長さの調整が無い場合には相互変調歪み特性（ＩＭ）が４ｄＢであり、上記一実施の形態のドハティ増幅器であれば、第１及び第２のピーク増幅器１３、１６のデバイス特性差による出力電流の違いから生ずる負荷変動の影響を低減して、相互変調歪み特性（ＩＭ）を改善できることが分る。

なお、相互変調歪みは、図５に示すように周波数ｆ１に対して下側周波数ＩＭ−と周波数ｆ２に対して上側周波数ＩＭ＋とに発生する。下側周波数ＩＭ−は、ｆ１−（ｆ２−ｆ１）であり、上側周波数ＩＭ＋は、ｆ２＋（ｆ２−ｆ１）である。異なる周波数ｆ１、ｆ２の２つの入力信号の信号レベルに対して下側周波数ＩＭ−の信号及び上側周波数ＩＭ＋の信号のレベルが小さければ、相互変調歪み特性（ＩＭ）が良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

６：キャリア増幅器、１：入力端子、２：連結器（カプラ）、３：アッテネータ、４：分配器、５：第１の整合回路、６：キャリア増幅器、７：第２の整合回路、８：第１の線路、９：第２の線路、１０：第３の線路、１１：第３の整合回路、１２：第４の整合回路、１３：第１のピーク増幅器、１４：第５の整合回路、１５：コンバイナー、１６：第２のピーク増幅器、１７：第６の整合回路、１８：調整用線路、１８−１，１８−１，１８−２，１８−２，…，１８−ｎ，１８−ｎ：接点、１９：第４の線路、２０：出力端子。

Claims (5)

1. 入力信号を第１乃至第３の信号に分配する分配回路と、
   前記分配回路により分配された前記第１の信号を増幅するキャリア増幅器と、
   Ｃ級動作を行うようにバイアス条件が与えられ、前記キャリア増幅器の出力電力が飽和状態に近づくと動作を開始し、前記分配回路により分配された前記第２の信号を増幅する第１のピーク増幅器と、
   Ｃ級動作を行うようにバイアス条件が与えられ、前記キャリア増幅器の出力電力が飽和状態に近づくと動作を開始し、前記分配回路により分配された前記第３の信号を増幅する第２のピーク増幅器と、
   前記第１のピーク増幅器の出力信号と前記第２のピーク増幅器の出力信号とを合成する第１の合成回路と、
   前記キャリア増幅器の出力信号と前記第１の合成回路の出力信号とを合成する合成点を有し、前記キャリア増幅器の出力側と前記第１の合成回路の出力側とのそれぞれから前記合成点に向かって整合を取って前記キャリア増幅器の出力信号と前記第１の合成回路の出力信号とを合成して出力する第２の合成回路と、
   を具備し、
   前記第１のピーク増幅器と前記第２のピーク増幅器とは、前記キャリア増幅器の出力電力が飽和状態に近づくと、同時に前記動作を開始し、
   前記第１の合成回路は、前記キャリア増幅器の出力の飽和時から所定の値だけバックオフしたバックオフ時に、前記合成点から前記第１及び第２のピーク増幅器側を見たインピーダンスを無限大に調整可能とする、
   ことを特徴とするドハティ増幅器。
2. 前記第１の合成回路は、前記第１のピーク増幅器の出力信号と前記第２のピーク増幅器の出力信号とを合成するコンバイナーと、前記コンバイナーと前記合成点との間に接続されて線路長さを調整可能な調整用線路とを有することを特徴とする請求項１記載のドハティ増幅器。
3. 前記コンバイナーは、線路長を調整可能であることを特徴とする請求項２記載のドハティ増幅器。
4. 前記コンバイナーは、１／８波長を含む長さ領域内で線路長を調整可能とし、
   前記コンバイナーと前記線路長さの調整可能な前記調整用線路との組み合わせにより前記バックオフ時に、前記合成点から前記第１及び第２のピーク増幅器側を見たインピーダンスを無限大に調整可能とする、
   ことを特徴とする請求項３記載のドハティ増幅器。
5. 主に前記調整用線路の長さを調整し、必要時に前記コンバイナーの前記線路長さを調整することを特徴とする請求項４記載のドハティ増幅器。

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